CC BY
49
УДК 544.421.081.7
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ НА ПРОЦЕСС ГАЗИФИКАЦИИ УГОЛЬНОГО КОКСА
1,2КОРОТКИХ А. Г., 1СЛЮСАРСКИЙ К. В.
1Томский политехнический университет, Энергетический институт, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
2Томский государственный университет, НИИ прикладной математики и механики, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36
АННОТАЦИЯ. Исследован процесс газификации угольного кокса в среде диоксида углерода при различных температурах с помощью термогравиметрии. Использовались порошки кокса антрацита, каменного и бурого углей, полученные путем пиролиза в среде аргона при 1000 °С. Определены значения плотности, удельной площади поверхности, объема пор и среднего размера частиц образцов, а также зависимости скорости изменения массы от времени и конверсии, значения энергии активации и предэкспоненты реакции. Установлено, что с увеличением температуры времена газификации уменьшаются, а значения скорости убыли массы и химических реакций возрастают. С увеличением содержания углерода в исходном образце скорость изменения массы увеличивается, что связано с большей пористостью и удельной площадью реакционной поверхности частиц топлива.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: угольный кокс, дисперсность, объем пор, газификация, термический анализ, диоксид углерода.
ВВЕДЕНИЕ
Основной проблемой сжигания твердых топлив в топках котельных установок является неполное выгорание топлива, наличие золы, шлака и дымовых газов, которые необходимо утилизировать и очищать на тепловой электрической станции или котельной. Для повышения эффективности использования твердых топлив в процессе их сжигания актуальным направлением исследования является получение высокообогащенных топлив за счет газификации твердых или жидких топлив, таких как уголь, торф, нефть, биомасса и др.
[1]. В частности, применение процесса газификации твердого топлива с целью получения синтез газа или жидких углеводородов позволяет использовать низкосортное топливо с низким содержанием углерода, а также уменьшить количество вредных выбросов в окружающую среду за счет частичной рециркуляции углекислого газа в газогенерирующей установке с использованием эффективных методов очистки дымовых газов от СО2, Н2Б, Б02
[2].
Процесс газификации твердого топлива определяется различными параметрами исходного сырья и окислительной среды: размер и пористость частиц, компонентное содержание твердого топлива, температура, давление и состав окислительной среды. От температуры среды зависят скорость процесса и степень конверсии топлива, состав генераторного газа. Отметим, что процесс газификации топлива состоит из нескольких стадий и множества химических реакций, основными которыми являются гетерогенные реакции окисления твердофазного углерода топлива. В частности при газификации твердого топлива характерными являются три реакции: взаимодействие углерода с кислородом, диоксидом углерода и водяным паром [3, 4]. При равных условиях химическая реакция окисления твердофазного углерода в среде диоксида углерода является наиболее медленной [5]. В работе [6] представлены экспериментальные результаты при взаимодействии углерода с окислительной средой: зависимости скорости процессов от температуры, давления, степени метаморфизма и состава окислительной среды. Для описания скорости реакций окисления обычно используется уравнение Аррениуса 1 порядка. Согласно экспериментальным данным
[7] порядок реакции находится в диапазоне 0,4 - 0,7, в работах [8, 9] этот диапазон был расширен до 0,2 - 1,0. В указанных работах в качестве образцов топлива использовались порошки угля, просеянные через сита с размером ячеек 200 - 300 мкм [8, 9]. Считалось, что в данной методике отбора проб порошок угля имеет одинаковый размер частиц [6, 8]. Отметим, что получаемые порошки, как правило, полидисперсны и имеют одномодальную функцию распределения частиц по размерам. В работах [10, 11] было показано, что при моделировании кинетики процесса конверсии функции распределения размера частиц топлив имеют существенное значение. Отметим, работы, изучающие кинетику процесса газификации угольного топлива с учетом фракционного состава в среде диоксида углерода при различных температурах, не обнаружены.
В России запасы каменного угля Кузнецкого и Канско-Ачинского месторождений оцениваются в ~1200 млрд. т [12], что делает их крупнейшими месторождениями каменного и бурого углей в мире. В работах [13 - 16] были изучены свойства и определены калориметрические характеристики твердых топлив данных месторождений с целью их последующего сжигания в топках паровых или водогрейных котлов, металлургических печах (доменных и мартеновских печах, конверторах).
В данной работе представлены результаты измерения компонентного содержания, пористости частиц и распределения частиц по размерам для трех образцов твердого топлива: антрацита, каменного и бурого углей Кузнецкого и Канско-Ачинского месторождений. С использованием совмещенного ТГ-ДСК анализатора Netzsch STA 449 F3 Jupiter определены ТГ-кривые исследуемых образцов топлив, а также скорость, кинетические константы реакций окисления твердофазного углерода в среде диоксида углерода при различных температурах.
1. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ
1.1. ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
В работе использовались порошкообразные образцы твердого топлива: антрацита, каменного угля разреза Красногорский (Кемеровская область, г. Междуреченск) и бурого угля разреза Бородинский (Красноярский край, г. Бородино), которые получали путем размола топлива в шаровой барабанной мельнице и просеивания их через сито с размером ячейки 80 мкм. Гранулометрический состав порошкообразных образцов топлива определялся анализатором размера частиц HELOS/BR, работающим на основе метода лазерной дифракции. Для равномерного разделения частиц и подачи аэрозоли топлива в зоне измерения анализатора использовался модуль воздушного диспергирования RODOS/M. Для всех образцов топлива использовалось давление воздуха 0,25 МПа, что позволило разделить частицы без изменения их формы. Общий вид кривых плотности и интегрального распределения размера частиц исследуемых образцов твердого топлива представлены на рис. 1. В табл. 1 приведены средние расчетные значения размеров частиц: среднесчетный, среднеквадратичный, среднеобъемный, средний объемно-поверхностный и среднемассовые диаметры частиц, а также характерные массовые размеры частиц используемых твердых топлив, определенные по 4 параллельным измерениям на анализаторе. По измеренным данным получены уравнения обобщенного гамма-распределения (ОГР) (1) и логарифмически нормального распределения (ЛНР) (2) частиц для исследуемых образцов топлив:
где / (х) - функция плотности распределения; х - размер частицы; а, Ь, а, в - константы аппроксимации.
(1)
(2)
Расчетные значения констант аппроксимации для уравнений (1) и (2) представлены в табл. 1.
Рис. 1. Функции плотности (1) и интегрального (2) распределения размера частиц исследуемых образцов твердого топлива: антрацита (а), каменного угля (б) и бурого угля (в)
Таблица 1
Дисперсные характеристики исследуемых образцов твердого топлива
Образец твердого топлива Средний размер, мкм Константы аппроксимации Характерные размеры, мкм
й20 й30 ^32 й43 а Ь а в х10 х50 х90
Антрацит 29,5±0,1 40,4±0,2 48,6±0,2 82,2±0,4 82,2±0,4 2,28 1,7-10"8 0,24 3,85 1,89±0,1 20,9±0,1 71,1±0,2
Каменный уголь 36,9±0,2 45,4±0,2 52,1±0,2 69,2±0,1 79,2±0,1 0,04 1,310-4 1,00 0,99 6,45±0,1 31,6±0,1 75,3±0,2
Бурый уголь 38,9±0,1 47,3±0,1 53,6±0,1 69,7±0,1 79,1±0,2 0,03 2,3-10"5 1,08 0,99 6,80±0,2 34,9±0,2 77,5±0,1
С использованием электронного растрового микроскопа ШОЬ 18М-7500Б получены микрофотографии исследуемых образцов твердого топлива (рис. 2). Отметим, что форма частиц образцов каменного и бурого углей, антрацита существенно отличается от сферической и частицы имеют внешние полости.
С использованием автоматического газо-адсорбционного анализатора 3Б1ех определены значения удельной площади поверхности и суммарного объема пор частиц, а также значения удельной и насыпной плотности исследуемых образцов твердого топлива, измеренные пикнометрическим методом по 3 - 4 параллельным опытам. Результаты измерения представлены в табл. 2.
в)
Рис. 2. Микрофотографии исследуемых образцов твердого топлива: антрацита (а), каменного (б) и бурого (в) углей с приближением *10 000
Таблица 2
Плотность, удельная площадь поверхности и объем пор частиц исследуемых образцов твердого топлива
Образец твердого Удельная плотность, кг/м3 Насыпная плотность, кг/м3 Удельная площадь поверхности, м2/г Суммарный объем пор, см3/г
топлива
Антрацит 1753±56 339±2 104,8 0,078
Каменный уголь 1927±15 340±6 18 0,039
Бурый уголь 1425±10 347±13 33,5 0,034
Для определения содержания углерода в образцах твердого топлива проведен элементный анализ с использованием встроенного в электронный растровый микроскоп энергодисперсионного спектрометра (ЭДС) на основе безазотного кремний-дрейфового детектора с ускоряющим напряжением 10 и 15 кВ. Данный анализ имеет достаточно хорошую точность измерения содержания тяжелых элементов в исследуемых образцах топлива (таких как А1, 81, Са, Бе) - с относительной погрешностью не более 1 %. Содержание углерода в образцах исходного топлива определялось разностью общей массы и суммарного содержания других элементов, определенных ЭДС-анализом. Результаты измерения представлены в табл. 3. Для антрацита определено максимальное содержание углерода -89 масс. %, для каменного и бурого углей содержание углерода меньше - 74 и 66 масс. %, соответственно.
Таблица 3
Элементный состав исследуемых образцов твердых топлив
Образец твердого топлива Содержание элементов, масс. %
C N O Al Si Ca Fe Прочие
Антрацит 89 - 6 - 2 1 1 1
Каменный уголь 74 14 8 1 1 - - 2
Бурый уголь 66 15 14 - - 4 - 1
1.2. ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Перед проведением термического анализа исследуемые образцы твердого топлива сначала подвергались пиролизу в среде аргона при нагреве в печи SNOL 30/1100 со скоростью 50 °С/мин до температуры 1000 °С с целью получения угольного кокса, удаления влаги и легколетучих компонентов из исходного топлива. Образцы твердого топлива массой ~ 25 - 30 г помещались в керамические тигли и выдерживались в печи в течение одного часа, затем последовательно охлаждались до температуры 400 °С в среде аргона и до комнатной температуры при подаче воздуха. Содержание золы в образце угольного кокса определялось из отношения конечной массы образца после дифференциального термического анализа (ДТА) к начальной массе образца в среде диоксида углерода (на участке изотермической выдержки). Зольность образцов антрацита, каменного и бурого углей составила 14 масс. %, 34 масс. % и 16 масс. %, соответственно.
Термический анализ полученных образцов угольного кокса массой ~ 20 мг проводился с использованием совмещенного ТГ-ДСК анализатора Netzsch STA 449 F3 Jupiter. Исследуемые образцы угольного кокса нагревались в печи при подаче аргона со скоростью 50°С/мин. до температуры 900, 1000, 1100 или 1200 °С. Объемный расход аргона в печь составлял 10 мл/мин. При достижении заданной температуры нагрева в печи инертная газовая среда менялась на смесь диоксида углерода с аргоном в соотношении 24/1, при этом объемный расход смеси составлял 250 мл/мин. Период времени изотермической выдержки образцов угольного кокса при окислении углерода находился в диапазоне от 60 до 120 мин. в зависимости от температуры нагрева печи.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Проведено три параллельных измерения термогравиметрического (ТГ) анализа для каждого образца угольного кокса при различных значениях температур нагрева в печи. Полученные термограммы представлены на рис. 3.
При нагреве образцов до заданной температуры в печи уменьшение массы навески угольного кокса составляло 2 - 4 % в зависимости от марки топлива, что возможно связано с удалением адсорбированных за период хранения газов и влаги, а также взаимодействием образцов с остаточным воздухом в камере печи.
При подаче диоксида углерода в нагретую печь наблюдались эндотермические реакции окисления углерода с уменьшением массы навески образцов на 60 % - каменноугольного кокса и на 82 - 83 % - кокса антрацита и бурого угля. За период газификации образца угольного кокса принимался момент времени начала подачи углекислого газа в камеру печи до момента времени снижения скорости изменения массы образца до величины менее 0,1 масс. %/мин.
т, масс.% 100
7\ — антрацит
/ V4 — каменный уголь
/ — бурый уголь
/ \\— --ЛТГ
/ V
Т° С 1100 1000
Рис. 3. ТГ-кривые исследуемых образцов угольного кокса при температуре: 1200 °С (а); 1100 °С (б); 1000 °С (в) и 900 °С (г)
2.2. СКОРОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ МАССЫ
В результате обработки данных ТГ-анализа получены зависимости скорости изменения массы образцов от времени газификации (рис. 4). Максимальные значения скорости изменения массы при газификации образцов угольного кокса определены при температуре диоксида углерода 1200 °С: 16,6 масс. %/мин. - кокс антрацита; 7,3 масс. %/мин. - кокс каменного угля и 5,4 масс. %/мин. - кокс бурого угля.
На рис. 5 представлены зависимости скорости изменения массы исследуемых образцов угольного кокса от температуры окислительной среды. Увеличение температуры среды приводит к экспоненциальному увеличению скорости изменения массы образцов угольного кокса за счет увеличения скорости протекания химических реакций и значения коэффициента диффузии, способствующего повышению скорости подвода окислителя в зоне реакции.
С увеличением температуры окислительной среды период процесса газификации исследуемых образцов уменьшается, скорость изменения массы и химических реакций окисления углерода возрастает. Согласно уравнению Аррениуса скорость изменения массы твердого топлива при гетерогенной реакции окисления углерода описывается выражением [17, 18]:
V = А/(X )ехр
ЯТ
(3)
где V - скорость изменения массы, кг/с; А0 - предэкспонент, кг/с; /(X) - функция распределения скорости реакции, зависящая от степени конверсии; Еа - энергия активации, Дж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК); Т - температура, К.
Уменьшение скорости газификации образцов твердого топлива обычно связывают с увеличением степени конверсии X, определяемой формулой [19 - 21]:
х = ( т - т) / (то - т) >
где т0, тк и - масса образца топлива в начальный, конечный и произвольный момент времени t, соответственно.
Рис. 4. Скорость изменения массы исследуемых образцов угольного кокса от времени газификации при температуре: 1200 °С (а); 1100 °С (б); 1000 °С (в) и 900 °С (г)
Рис. 5. Скорость изменения массы образцов угольного кокса от температуры окислительной среды
2.3. КИНЕТИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ РЕАКЦИИ
Для расчета кинетических констант газификации образцов угольного кокса и определения функции распределения скорости реакции, как правило, используются три модели [19]:
1. Объемная модель (Volumetric Model - VM):
f (X ) = 1 - X,
2. Модель сжимающегося ядра (Shrinking Core Model - SCM):
f ( x ) = (1 - x )2/3,
3. Модель произвольного расположения пор (Random Pore model - RPM):
f (X ) = (1 - X У1 - v ln (1 - X) .
Для расчета кинетических констант были определены значения средней скорости изменения массы угольного кокса за весь период газификации (Average Reaction Rate -ARR). Полученные результаты расчета кинетических констант газификации исследуемых образцов угольного кокса представлены в табл. 4.
Таблица 4
Скорость газификации, предэкспонент и энергия активации образцов угольного кокса
Образец угольного кокса Модель Эффективная скорость реакции, масс. %/с и коэффициент Я2 при температуре E ^a•> кДж/моль A 00, %/с
1200 °С 1100 °С 1000 °С 900 °С
Антрацит VM k(t) 23,4/0,63 11,1/0,33 6,4/0,62 2,5/0,92 104 1862
SCM 21,4/0,88 10,2/0,68 5,7/0,88 2,1/0,99 108 2291
RPM 16,3/0,99 8,2/0,91 4,5/0,99 2,2/0,98 96 632
У 1,2 1,2 1,2 0,4
ARR V 16,7 10,1 5,3 2,1 100 4305
Каменный уголь VM k(t) 9,3/0,64 6,4/0,81 2,1/0,82 0,4/0,98 156 71230
SCM 8,2/0,92 5,7/0,97 1,8/0,98 0,4/0,82 155 55418
RPM 6,7/0,98 4,5/0,99 1,7/0,98 0,4/0,98 140 12452
У 1,3 1,1 0,6 0
ARR V 9,4 6,4 2,2 0,4 150 13227
Бурый уголь VM k(t) 7,9/0,91 6,2/0,97 1,6/0,97 - 126 4446
SCM 6,6/0,98 4,5/0,97 1,4/0,91 - 124 3174
RPM 5,8/0,99 5,1/0,99 1,6/0,98 - 105 597
У 0,7 0,3 0,1 -
ARR V 3,1 2,5 1,2 0,4 97 745
Полученные значения энергии активации и предэкспоненты уравнения (3) для исследуемых образцов угольного кокса соответствуют данным для высокосортных и низкосортных марок углей других месторождений [16, 22]. Анализ полученных данных показал, что с уменьшением зольности образцов угольного кокса значения энергии активации уменьшаются, что свидетельствует о том, что скорость газификации высокосортных углей сильнее зависит от температуры газовой среды. В расчете эффективной скорости реакции с использованием модели произвольного расположения пор RPM получены более высокие значения коэффициента детерминации Я2, характеризующего качество аппроксимации.
Значения энергии активации и предэкспоненты, полученные с применением модели произвольного расположения пор, меньше, чем для других моделей, что, возможно, связано со сложной структурой исследуемых образцов (наличием пор и неровности поверхности частиц) и определенном вкладе химических реакций, протекающих внутри пор частиц.
Очевидно, что зависимость реакционной поверхности образцов от степени конверсии имеет нелинейный характер, а их нелинейность возрастает с увеличением удельной площади поверхности частиц и уменьшается с ростом суммарного объема пор частиц.
Данные ДТА подтверждают высокую скорость реакции окисления кокса антрацита в среде диоксида углерода, имеющего более высокие значения удельной площади поверхности - 105 м /г, суммарного объема пор - 0,078 см /г частиц и содержания углерода -89 масс. % по сравнению с другими исследуемыми образцами твердого топлива при одинаковых условиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Определены характеристики исследуемых образцов антрацита, каменного и бурого углей Кузнецкого и Канско-Ачинского месторождений. Установлено, что образец антрацита имеет более высокие значения удельной площади поверхности - 105 м /г, суммарного объема пор - 0,078 см /г частиц и содержания углерода - 89 масс. % по сравнению с другими исследуемыми образцами твердого топлива. Представленные данные экспериментального исследования подтверждают высокую реакционную способность кокса антрацита в среде диоксида углерода.
2. В результате проведенного дифференциального термического анализа в среде диоксида углерода в диапазоне температур 900 - 1200 °С установлено, что максимальная скорость реакции окисления образцов кокса антрацита составляет 16,6 масс. %/мин., каменного угля - 7,3 масс. %/мин., бурого угля - 5,4 масс. %/мин. при максимальном значении температуры окислительной среды 1200 °С. С уменьшением температуры диоксида углерода максимальная скорость реакции окисления образцов уменьшается.
3. Определены кинетические константы реакции окисления углерода в углекислом газе с использованием трех пространственных моделей изменения скорости реакции частиц: объемной модели VM, моделей сжимающегося ядра SCM и произвольного расположения пор RPM, а также по среднему значению скорости реакции ARR. Полученные значения кинетических констант хорошо согласуются с данными представленными в литературе для близких по содержанию углерода твердых топлив других месторождений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Vellini G. M., Gambini M. CO2 capture in advanced power plants fed by coal and equipped with OTM // International Journal of Greenhouse Gas Control, 2015, vol. 36, pp. 144-152. http://dx.doi.Org/10.1016/j.ijggc.2015.01.022
2. Kim S. K., Park C. Y., Park J. Y., Lee S., Rhu J. H., Han M. H., Yoon S. K., Rhee Y. W. The kinetic study of catalytic low-rank coal gasification under CO2 atmosphere using MVRM // Journal of Industrial and Engineering Chemical, 2014, vol. 20, iss. 1, pp. 356-361. http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2013.03.027
3. Дубинин А. М., Филиппов Д. В., Тупоногов В. Г., Ляхов Е. В. Газогенератор с самообогревом для воздушной газификации угля // Современные наукоемкие технологии. 2005. № 11. С. 16-17.
4. Naletov V. A., Glebov M. B., Naletov A. Yu. Optimal Organization of Lignite Gasification // Coke and Chemistry, 2015, vol. 58, iss. 8, pp. 296-302. DOI: 10.3103/S1068364X15080062
5. Farid M. M., Jeong H. J., Hwang J. Co-gasification of coal-biomass blended char with CO2 and H2O: Effect of partial pressure of the gasifying agent on reaction kinetics // Fuel, 2015, vol. 162, pp. 234-238. http://dx.doi.org/10.1016/jiuel.2015.09.011
6. Irfan M. F., Usman M. R., Kusakabe K. Coal gasification in CO2 atmosphere and its kinetics since 1948: A brief review // Energy, 2011, vol. 36, iss. 1, pp. 12-40. DOI: 10.1016/j.energy.2010.10.034
7. Zhou L., Zhang G., Schurz M., Steffen K., Meyer B. Kinetic study on CO2 gasification of brown coal and biomass chars: reaction order // Fuel, 2016, vol. 173, pp. 311-319. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2016.01.042
8. Aranda G., Grootjes A. J., Van der Meijden C. M., Van der Drift A., Gupta D. F., Sonde R. R., Poojari S., Mitra C. B. Conversion of high-ash coal under steam and CO2 gasification conditions // Fuel Processing Technology, 2016, vol. 141, part 1, pp. 16-30. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.06.006
9. Salatino P., Senneca O., Masi S. Gasification of a coal char by oxygen and carbon dioxide // Carbon, 1998, vol. 36, iss. 4, pp. 443-452. http://dx.doi.org/10.1016/S0008-6223(97)00228-5
10. Adeyemi I., Janajreh I. Modeling of the entrained flow gasification: Kinetics-based ASPEN Plus model // Renewable Energy, 2015, vol. 82, pp. 77-84. http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2014.10.073
11. Everson R. C., Neomagus H. W. J. P., Van der Merwe G. W., Koekemoer A., Bunt J. R. The properties of large coal particles and reaction kinetics of corresponding chars // Fuel, 2015, vol. 140, pp. 17-26. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2014.09.038
12. Lopez-Gonzalez D., Fernandes-Lopez M., Valverde J. L., Sanchez-Silva L. Comparison of steam gasification performance of three species of microalgae by thermogravimetric-mass spectrometric analysis // Fuel, 2014, vol. 134, pp. 1-10. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2014.05.051
13. Korotkikh A. G. Slyusarskiy K. V. Kinetic study of coals into carbon dioxide atmosphere // MATEC Web of Conferences, 2015, vol. 23, pp. 01020-1-6. http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/20152301020
14. Singer S. L., Ghoniem A. F. Comprehensive gasification modeling of char perticles with multi-modal pore structures // Combustion and Flame, 2013, vol. 160, pp. 120-137. http://dx.doi.org/10.1016/j.combustflame.2012.09.007
15. He W., He R., Cao L., Ito T., Suda T. Numerical study of the relationship between pore structures and reaction parameters for coal char particles // Combustion Science and Technology, 2012, vol. 184, pp. 2084-2099. http://dx.doi.org/10.1080/00102202.2012.699483
16. Liu G., State A. G., Bryant G. W., Wall T. F. Mathematical modeling of coal char reactivity with CO2 at high pressures and temperatures // Fuel, 2000, vol. 79, pp. 1145-1154. http://dx.doi.org/10.1016/S0016-2361(99)00274-4
17. Курбатова Н. А., Эльман А. Р., Бухаркина Т. В. Применение катализаторов для газификации угля диоксидом углерода // Успехи в химии и химической технологии. 2010. Т. 24, № 5. С. 27-32.
18. Абаимов Н. А., Рыжков А. Ф. Разработка модели поточной газификации угля и отработка аэродинамических механизмов воздействия на работу газогенератора // Теплоэнергетика. 2015. № 11. С. 3-8. DOI: 10.1134/S0040363615110016
19. Rueda-Ordonez Y. J., Tannous K. Isoconversional kinetic study of the thermal decomposition of sugarcane straw for thermal conversion processes // Bioresource Technology, 2015, vol. 196, pp. 136-144. http://dx.doi. org/10.1016/j .biortech. 2015.07.062
20. Korotkikh A. G., Slyusarskiy K. V., Ditts A. A. Kinetics of coal char gasification in a carbon dioxide medium // Russian Journal of Physical Chemistry B, 2016, vol. 10, iss. 4, pp. 576-581. DOI: 10.1134/S1990793116040059
21. Watanabe H., Otaka M. Numerical simulation of coal gasification in entrained flow coal gasifier // Fuel, 2006, vol. 85, iss. 12-13, pp. 1935-1943. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2006.02.002
22. Донской И. Г., Кейко А. В., Козлов А. Н., Свищёв Д. А., Шаманский В. А. Расчет режимов слоевой газификации угля с помощью термодинамической модели с макрокинетическими ограничениями // Теплоэнергетика. 2013. № 12.C. 56-61.
EFFECT OF OXIDIZING MEDIUM TEMPERATURE ON GASIFICATION PROCESS OF COAL CHAR
1'2Korotkikh A.G., Slyusarskiy K.V.
1National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
2Tomsk State University, Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics, Tomsk, Russia
SUMMARY. This work researches a coal char gasification in carbon dioxide medium at different temperatures via simultaneous thermal analysis. The coal powder samples of anthracite, bituminous coal and lignite of Kuznetsk and Kansk-Achinsk deposits with various carbon and ash content, particle structure and dispersity were investigated. The char samples for research were produced by heating coal to 1000 °C in argon. The density, specific surface area, pore volume and mean particle size of the test fuel samples were determined, as well as the coal char mass loss rate over time and conversion during gasification, the activation energy of oxidation reaction and the frequency factor. A decrease in the sample gasification time and an increase in both mass loss and carbon oxidation chemical reaction rate were detected. Increasing the carbon content in the initial solid fuel caused an increase in coal char sample mass loss rate, which may be attributed to a higher porosity and specific particle reaction surface area of the solid fuel sample.
KEYWORDS: coal char, dispersity, pore volume, gasification, thermal analysis, carbon dioxide.
REFERENCES
1. Vellini G. M., Gambini M. CO2 capture in advanced power plants fed by coal and equipped with OTM. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2015, vol. 36, pp. 144-152. http://dx.doi.org/10.10167j.ijggc.2015.01.022
2. Kim S. K., Park C. Y., Park J. Y., Lee S., Rhu J. H., Han M. H., Yoon S. K., Rhee Y. W. The kinetic study of catalytic low-rank coal gasification under CO2 atmosphere using MVRM. Journal of Industrial and Engineering Chemical, 2014, vol. 20, iss. 1, pp. 356-361. http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2013.03.027
3. Dubinin A. M., Filippov D. V., Tuponogov V. G., Lyakhov E. V. Gazogenerator s samoobogrevom dlya vozdushnoy gazifikatsii uglya [Self-Heated Gasifier Used For Air Gasification of Coal]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern high technologies], 2005, no. 11, pp. 16-17.
4. Naletov V. A., Glebov M. B., Naletov A. Yu. Optimal Organization of Lignite Gasification. Coke and Chemistry, 2015, vol. 58, iss. 8, pp. 296-302. DOI: 10.3103/S1068364X15080062
5. Farid M. M., Jeong H. J., Hwang J. Co-gasification of coal-biomass blended char with CO2 and H2O: Effect of partial pressure of the gasifying agent on reaction kinetics. Fuel, 2015, vol. 162, pp. 234-238. http://dx.doi.org/10.1016/jiuel.2015.09.011
6. Irfan M. F., Usman M. R., Kusakabe K. Coal gasification in CO2 atmosphere and its kinetics since 1948: A brief review. Energy, 2011, vol. 36, iss. 1, pp. 12-40. DOI: 10.1016/j.energy.2010.10.034
7. Zhou L., Zhang G., Schurz M., Steffen K., Meyer B. Kinetic study on CO2 gasification of brown coal and biomass chars: reaction order. Fuel, 2016, vol. 173, pp. 311-319. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2016.01.042
8. Aranda G., Grootjes A. J., Van der Meijden C. M., Van der Drift A., Gupta D. F., Sonde R. R., Poojari S., Mitra C. B. Conversion of high-ash coal under steam and CO2 gasification conditions. Fuel Processing Technology, 2016, vol. 141, part 1, pp. 16-30. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.06.006
9. Salatino P., Senneca O., Masi S. Gasification of a coal char by oxygen and carbon dioxide. Carbon, 1998, vol. 36, iss. 4, pp. 443-452. http://dx.doi.org/10.1016/S0008-6223(97)00228-5
10. Adeyemi I., Janajreh I. Modeling of the entrained flow gasification: Kinetics-based ASPEN Plus model. Renewable Energy, 2015, vol. 82, pp. 77-84. http://dx.doi.org/10.1016Zj.renene.2014.10.073
11. Everson R. C., Neomagus H. W. J. P., Van der Merwe G. W., Koekemoer A., Bunt J. R. The properties of large coal particles and reaction kinetics of corresponding chars. Fuel, 2015, vol. 140, pp. 17-26. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2014.09.038
12. Lopez-Gonzalez D., Fernandes-Lopez M., Valverde J. L., Sanchez-Silva L. Comparison of steam gasification performance of three species of microalgae by thermogravimetric-mass spectrometric analysis. Fuel, 2014, vol. 134, pp. 1-10. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2014.05.051
13. Korotkikh A. G. Slyusarskiy K. V. Kinetic study of coals into carbon dioxide atmosphere. MATEC Web of Conferences, 2015, vol. 23, pp. 01020-1-6. http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/20152301020
14. Singer S. L., Ghoniem A. F. Comprehensive gasification modeling of char perticles with multi-modal pore structures. Combustion and Flame, 2013, vol. 160, pp. 120-137. http://dx.doi.org/10.1016/j.combustflame.2012.09.007
15. He W., He R., Cao L., Ito T., Suda T. Numerical study of the relationship between pore structures and reaction parameters for coal char particles. Combustion Science and Technology, 2012, vol. 184, pp. 2084-2099. http://dx.doi.org/10.1080/00102202.2012.699483
16. Liu G., Tate A. G., Bryant G. W., Wall T. F. Mathematical modeling of coal char reactivity with CO2 at high pressures and temperatures. Fuel, 2000, vol. 79, pp. 1145-1154. http://dx.doi.org/10.1016/S0016-2361(99)00274-4
17. Kurbatova N. A., El'man A. R., Bukharkina T. V. Primenenie katalizatorov dlya gazifikatsii uglya dioksidom ugleroda [The use of catalysts for the gasification of coal with carbon dioxide]. Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii [Advances in chemistry and chemical technology], 2010, vol. 24, no. 5, pp. 27-32.
18. Abaimov N.A., Ryzhkov A.F. Development of a model of entrained flow coal gasification and study of aerodynamic mechanisms of action on gasifier operation. Thermal Engineering, 2015, vol. 62, no. 11, pp. 767-772.
19. Rueda-Ordonez Y. J., Tannous K. Isoconversional kinetic study of the thermal decomposition of sugarcane straw for thermal conversion processes. Bioresource Technology, 2015, vol. 196, pp. 136-144. http://dx.doi. org/10.1016/j .biortech. 2015.07.062
20. Korotkikh A. G., Slyusarskiy K. V., Ditts A. A. Kinetics of coal char gasification in a carbon dioxide medium. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2016, vol. 10, iss. 4, pp. 576-581. DOI: 10.1134/S1990793116040059
21. Watanabe H., Otaka M. Numerical simulation of coal gasification in entrained flow coal gasifier. Fuel, 2006, vol. 85, iss. 12-13, pp. 1935-1943. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2006.02.002
22. Donskoi I. G., Keiko A. V., Kozlov A. N., Svishchev D. A., Shamanskii V. A. Calculation of the fixed bed coal gasification regimes by the use of thermodynamic model with macrokinetic constraints. Thermal Engineering, 2013, vol. 60, no. 12, pp. 904-909. DOI: 10.1134/S0040601513120069
Коротких Александр Геннадьевич, доктор физико-математических наук, профессор Энергетического института ТПУ, старший научный сотрудник НИИ прикладной математики и механики ТГУ, тел. (3822)701-777 (доб. 1680), е-mail: korotkikh@tpu.гы
Слюсарский Константин Витальевич, аспирант Энергетического института ТПУ, тел. (3822)701-777 (доб 1697), е-таИ: konstantinsv@Jtpы.гы
